漫谈自然科学中的神兽系列二:上帝不掷骰子

12月 15, 2020 朝夕思汇

上一篇我们介绍了拉普拉斯妖这个曾经让物理学界甚至哲学界为之颤抖的怪兽,你是否对于科学产生了多少的好奇呢?

现在,让我们下沉到微观世界。

还记得高中物理学到的“布朗运动”吗?它描述了分子以上的大颗粒悬浮物的无规则运动。比如我们在显微镜下观测悬浮在水中的花粉,或者无风情况下的尘埃颗粒,都能看到这种无规则的运动。对于布朗运动,科学的解释是说因为周围大量分子做无规则运动对悬浮的固体微粒各个方向撞击作用的不均衡性造成的。刚学到布朗运动的时候我不禁想到了一个问题,如果我们可以知道所有撞击微粒的分子的动量,根据牛顿定律我们不是就能计算出它的运动规律了吗?

布朗运动示意图(图中红点为悬浮固体颗粒,蓝点为分子)

直到后来我又了解了分子的热运动,才知道分子的热运动是毫无规律可循的,也就是说,布朗运动只是宏观上的反应了微观上粒子运动的不规律性。那么这种所谓的“无规则”真的是无规则吗?想象一下作为一个没有思想的氧气分子,它是怎么做到时而向左又毫无理由的向下这种行为的呢?是谁在操控它们?这种分子层面上的无规则运动的本质驱动力又是什么呢?看,是不是又和拉普拉斯妖联系到了一起。

1927年的第五次索尔维会议上量子力学成为了最后的赢家。关于那场会议上的精彩场面科学史上已经有无数的记载与评论,在此不做过多阐述。也是在那里,爱因斯坦喊出了那句名言——God doesn’t play dice (上帝不掷骰子)。量子力学的基础为海森堡提出的测不准原理(笔者认为更准确的翻译应为“不确定原理”),它提出来微观粒子的状态是无法完全掌握的,任何人不可能完全知道一个粒子的所有状态特征值。这意味着从宇宙的基础而言,概率论是唯一可以用来描述物理规律的准则。换而言之,这个世界原本就是随机的。

第五次索尔维会议合影

关于量子力学的神奇,笔者会在另一篇介绍神兽“薛定谔的猫”的文章里单独讲述。便于大家理解,这个给一个简单的例子——放射性元素。我们知道每一个放射性元素的半衰期,这意味着任何一种元素在一个固定的时间内会有一半的粒子衰变,但是当你观察其中某一个单独粒子的时候,你是没办法确定它会在什么时刻衰变。既然如此,所有粒子之间又是怎样协同工作从而实现宏观上的半衰期这个规律呢。除了概率论(波函数),人们无法找到更完美的理论描述。

爱因斯坦至死都是一位坚定的因果论拥趸,他不相信量子力学所提出的世界是随机的,因为那意味着人类有可能永远也摸不清宇宙的本源,他不愿意失去科学的美。时至今日,即便无数的实验已经证明了量子力学的正确性,仍有不少科学家及爱好者试图从其他方面解释量子力学以重新回到因果论的正轨上,可惜目前来看尚未有任何理论可以撼动量子力学的根基。

量子力学的诞生,让人们对拉普拉斯妖不再害怕。它基于对组成宇宙的最基本的粒子的特性,清楚的告诉人们根本不会有所谓的通晓宇宙所有秘密的这样一个怪物,未来也是不可预测的。但这也带来了其他的问题,那就是如果宇宙的基础不是因果论,我们就无法真正了解这个世界运行的真正奥秘。这似乎是一个两难的选择——如果拉普拉斯妖是真的,那么我们会丧失对客观世界的主动权。如果它是假的,似乎我们又很难找寻出宇宙的最终真理。

不管如何,看似量子力学可以作为一把神器,最终将拉普拉斯恶魔斩杀。(未完待续)

注:本文作者并非科学类专家,故本文仅代表作者自己的理解,请勿做专业解读。